Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"

Автор книги: Сергей Бердышев

Электромагнитное поле

Взаимодействие между телами передается разными способами, однако общим моментом для всех случаев является наличие передатчика взаимодействия. Таким передатчиком может служить какая-либо особая среда. Гравитационное взаимодействие распространяется посредством поля тяготения, через которое передается сила притяжения между массами. Электромагнитное поле служит средой для передачи взаимодействия между электрическими и магнитными зарядами.

Люди обратили внимание на магнитные силы еще в далекие от современности времена. Само название феномена происходит от древнего города Магнесии, близ которого располагались внушительные залежи магнитных руд. О свойствах магнита люди знали испокон веков, еще задолго до того, как магнитный железняк получил свое название.

Первооткрывателями магнетизма следует считать древних индейцев ольмеков, сформировавших развитую цивилизацию. Они около 4000 лет назад открыли свойства магнитного железняка и высекали из него скульптуры тучных людей. Назначение этих скульптур до конца не определено историками, однако ученые установили, что силовые линии магнитного поля каждой скульптуры сходятся в точности на ее пупе. Таким образом, ольмеки имели представление о силовых линиях магнитного поля.

Они, видимо, знали о существовании земного магнетизма и о том, что с его помощью можно ориентироваться на местности. О наличии таких познаний свидетельствуют каменные изваяния черепах с магнитной головой. Далекие странствия морских черепах были известны многим древним народам. Видимо, ольмеки связали навигационные способности животных с наличием у них магнитного чувства.

С древнейших времен люди сложили немало легенд о загадочном явлении природы. Собиратель разнообразных занимательных историй, римский литератор Плутарх рассказывал о магнитной горе близ берегов Индии. Эта гора якобы могла вытягивать силой своего магнитного притяжения металлические гвозди из досок кораблей, отчего суда разрушались и тонули. Позднее страшная легенда вошла в состав сборника арабских сказок «Тысяча и одна ночь».

Но римляне не довольствовались пересказом красочных легенд, они пытались материалистически объяснить сущность сил и процессов в окружающем их мире. Атомист Лукреций в своей энциклопедической поэме «О природе вещей» (I в. до н. э.) подробно описывает действие магнетизма:

 
Видеть случалось мне, что прыгают в медных сосудах
Самофракийские кольца с железа опилками вместе,
Бурно бушуя, когда под сосудом камень магнитный,
Словно скорей убежать они жаждут от этого камня.
 

Далее Лукреций дает объяснение феномена в духе того времени. Античные атомисты наивно полагали, что притяжение и отталкивание железа и магнита вызвано потоками неустойчивых частиц в магнитном веществе. В целом объяснение невероятно сложно и совершенно ошибочно. Однако оно представляет собой продукт работы ума и свободно от фантазий о душах, которыми наделяли магнитный железняк мистики.

Примерно 2000 лет назад обнаруживают магнитные свойства китайцы. Уже в период Средневековья, около 1000 лет назад, они изобретают компас, а несколько позднее защитные ворота. Магнитные ворота были установлены у императорского дворца. Они притягивали к себе всяческие металлические изделия и тем самым могли выдать преступника, задумавшего пронести в императорский дворец оружие.

Первый компас представлял собой намагниченную металлическую пластинку (стрелку компаса), закрепленную на дощечке, которая свободно плавала в глиняном сосуде с водой. Поскольку трение воды было очень слабым, а масса магнитной пластинки невелика, то металл активно притягивался к полюсам планеты. Магнитные полюса создают равные силы, которые действуют на намагниченное тело так, что оно не смещается в сторону полюсов, а занимает положение вдоль силовых линий.

Стрелка компаса, т. о., выстраивается вдоль линий напряженности магнитного поля Земли и тем самым указывает направление на магнитный полюс. В XII столетии компас попадает в Европу, где получает широкое распространение, поскольку оказывается очень выгодным навигационным прибором для активно развивающегося мореходства. Появление компаса в Европе способствовало наступлению Эпохи Великих географических открытий, которая началась с открытия Америки и морского пути в Индию.

Значение компаса для колонизаторских и торговых походов европейцев было исключительным, что заставило ученых уже в средние века заняться исследованием необычной природы магнетизма. Знатоки морской навигации прекрасно знали о существовании у Земли двух полюсов, а кроме того, установили, что строгое направление на магнитный полюс не совпадает с точным направлением на полюс географический, находимый по Полярной звезде. Дело в том, что два полюса совпадают лишь частично. Небольшое расстояние между ними требует внесения в путевые расчеты поправки, которая называется магнитным склонением.

История сохранила сведения о любопытном случае. Во время экспедиции адмирала X. Колумба в Новый свет среди матросов поднялась паника, т. к. компас внезапно изменил свои показания и стал указывать совершенно новое магнитное склонение. Адмирал, уверенный в правильности выбранного маршрута, чтобы успокоить матросов, тайком повернул картушку компаса. Прибор стал давать привычные показания.

Причиной же странного поведения компаса было, во-первых, нахождение каравелл Колумба в другом полушарии планеты, а во-вторых, махинации адмирала с путевым журналом, куда он заносил неверные данные. Колумб стремился держать матросов в неведении относительно количества пройденного пути, иначе команда могла решить, что путешествие слишком затянулось.

Физики, явившиеся первыми исследователями необычного явления природы, обнаружили непонятную связь между электрическими и магнитными явлениями. Однако объяснить ее физики тогда не пытались, потому что не испытывали большого практического интереса к электричеству. Оно привлекло к себе внимание лишь с наступлением Нового времени, особенно в конце XVIII – начале XIX вв.

В 1600 г. англичанин Гильберт издает первый в истории труд, посвященный магнетизму. В этой работе собраны многие интересные наблюдения, касающиеся, в частности, земного магнетизма, а также ряда известных в то время электрических явлений. Гильберт называл нашу планету большим магнитом, поскольку она, так же как и любой магнитный камень, имеет разноименные полюсы. Физик доказал свои воззрения экспериментальным путем. Он намагнитил большой шар и приложил к его поверхности компас. Стрелка непременно указывала направление на полюс. Ученый сообщает также о другом своем замечательном открытии: оказывается, противоположные полюсы притягиваются, но вот одноименные отталкиваются.

Причины, по которым некоторые планеты обладают магнитным полем, до конца не выяснены. Предполагается, что магнитное поле Земли генерирует ее железоникелевое ядро, которое окружено подвижной вязкой жидкостью. Ядро и обтекающая его жидкость действуют подобно динамо-машине. У Луны магнитное поле чрезвычайно слабое, почти нулевое, поскольку ее недра давно утратили активность. То же касается и прочих планетных спутников. Исполинский Юпитер обладает самым мощным магнитным полем из всех планет Солнечной системы.

Астрофизики отметили некоторые необычные свойства этого поля. Например, оно резко уменьшается в районе юпитерианского спутника Ио. Пока у астрофизиков есть только одно правдоподобное объяснение феномена. Спутник, недра которого крайне активны, обладает собственным слабым полем. Приборы автоматических станций это поле не зарегистрировали. Зато оно служит силовым барьером, экранирующим Ио от действия мощного магнитного поля планеты-гиганта. Получается, что магнитная оболочка Ио напоминает собой маленький пустотный пузырь в магнитной оболочке Юпитера.

Магнитная оболочка Земли, простирающаяся в космическое пространство, называется магнитосферой. Наиболее значимые части земной магнитосферы получили название радиационных поясов Земли (РПЗ). Это области, где силовыми линиями магнитного поля захватываются заряженные частицы солнечного излучения. Некоторые из частиц периодически высыпают в область схода силовых линий, т. н. касп, где ионизируют воздух.

Такая ионизация вызывает свечение, получившее название полярного сияния. В настоящее время полярные сияния тщательно исследуются с помощью специальной техники – гелиографов, особых фотографических устройств, компьютеров, благодаря которым ученые получают информацию о свойствах магнитного поля Земли, о приближающихся магнитных бурях, о солнечной активности, поскольку именно Солнце поставляет в зону РПЗ заряженные частицы.

Раскрытие природы магнетизма пришло только в начале XIX в. В 1820 г. датский физик X. Эрстед читал лекции о тепловом действии тока. По случайности рядом оказался компас. Его стрелка пришла в движение, едва Эрстед замкнул цепь. Один из студентов обратил внимание физика на этот факт, и ученый сразу же понял, что электрический ток, движущийся в цепи, создает собственное магнитное поле. В том же году проводили сходные исследования Ампер и Араго.

Физики также подтвердили существование магнитных свойств электрического тока. Как оказалось впоследствии, электричество и магнетизм представляют собой две стороны одного и того же природного явления. Магнитное и электрическое поля есть разновидности единого электромагнитного поля, посредством которого между собой взаимодействуют заряженные частицы. Каждый электрический заряд обладает электрическим полем. Если он движется, то способен генерировать магнитное поле. А переменное магнитное поле неизменно порождает электрический ток. Это объясняет причины притяжения магнитного железняка. Его магнитное поле порождается движущимися электронами.

Практически всякий природный магнит состоит из множества мельчайших частиц, которые представляют собой маленькие магнитики. Эти магнитики ориентированы в пространстве строго определенным образом и тем самым формируют направленное магнитное поле, усиливая друг друга.

Железо и сталь также состоят из магнитиков, которые, однако, очень слабы и в малой степени упорядочены.

Если на эти материалы повлиять сильным магнитным полем, то частицы железа выстроятся в ряды и металл приобретет магнитные свойства. Железо станет притягиваться магнитом, как если бы само было магнитным. Интересно, что перестройку малых магнитиков можно услышать. Достаточно для этого подсоединить катушку со стальным сердечником к динамику и пустить через нее ток. Катушка начнет вырабатывать магнитное поле, под влиянием которого частицы стали начнут упорядочиваться, принимать ориентированное по силовым магнитным линиям расположение. Звуки, раздающиеся из динамика, порождены этим процессом, они как бы служат его отражением.

Среда существования электрических и магнитных тел – электромагнитное поле. Первым высказал такую мысль Дж. Максвелл, который в 1860–1865 гг. обосновал свои идеи математически. Также Максвелл понял, что колебания зарядов приводят к возмущениям электромагнитного поля, которые тоже имеют характер колебаний. Эти колебания распространяются в поле со скоростью 300 000 км/с в виде электромагнитных волн. Физики привыкли называть электромагнитные волны излучением.

Каждый вид излучения, включая световое, является разновидностью электромагнитных колебаний с определенной длиной волны. Скорость движения электромагнитных волн, как впоследствии установили ученые, является максимальной скоростью распространения электромагнитного и любого другого взаимодействия в природе. Немецкий ученый Г. Герц в 1887 г. создал прибор для генерации электромагнитных колебаний и с его помощью поставил эксперименты, доказывающие справедливость теории Максвелла.

Покорение безграничного электромагнитного поля позволило человеку обеспечить свое техническое могущество посредством создания средств связи. Современные средства связи весьма разнообразны, однако все они в той или иной степени основаны на использовании электромагнитных явлений. Радиосвязь всецело опирается на возбуждение и прием электромагнитных волн большой длины, которые так и назвали радиоволнами. Изобретателем радио является русский физик A. C. Попов, придерживавшийся взглядов Максвелла на природу электромагнетизма.

В 1890-х гг. он увлекся опытами Герца и стал ставить сходные эксперименты самостоятельно, значительно усовершенствовав устройства излучения и приема электромагнитных волн. В результате этих экспериментов Попову удалось сконструировать радиопередатчик и радиоприемник, демонстрация которых проводилась 7 мая 1895 г. Первыми словами, переданными по радио, были имя и фамилия Генриха Герца.

Попов заложил фундамент техники радиосвязи, которую называл беспроволочным телеграфом. Изобретатель непрерывно совершенствовал свое детище. В 1897 г. он добился сначала увеличения расстояния передачи сигнала с 250 м до 600 м, а затем и до 5 км. При этом ученый прилагал все усилия, чтобы беспроволочный телеграф шире применялся во флоте. Благодаря стараниям Попова в начале XX в. была установлена радиосвязь на морских судах Российского флота. В январе 1900 г. радио впервые было применено в практических целях: на ледоход «Ермак» было передано сообщение о терпящих бедствие рыбаках. Таким образом, история радиосвязи началась со спасательной акции. В 1920-е гг. радиоприемники широко распространяются почти во всех странах мира.

От радиоэлектроники исходят электромагнитные колебания. Плотный электросмог окутывает планету, вызывая у многих проблемы со здоровьем. По большей части, к счастью, страхи по поводу болезней электронной цивилизации сильно преувеличены. Рост бытовой электроники и усложнение систем связи безвредны для здорового человека до тех пор, пока он соблюдает технику безопасности.

Из всех бытовых устройств самым опасным является только микроволновая печь, способная «изжарить» человека на расстоянии. Но микроволновые печи именно в силу этой причины создают с весьма надежной защитой. Что касается компьютеров, то современные их модели выпускаются со значком Low Radiation (низкая радиация), что означает низкий уровень излучения, идущего от экрана. Таким компьютерам уже не нужны защитные экраны, поскольку на расстоянии всего 30 см от монитора уровень радиации равен нулю.

Однако опасность для человека существует вне дома. Высоковольтные линии электропередачи, мощные радиопередатчики, промышленные и прочие электромагниты, а также трансформаторные будки генерируют сильные электромагнитные колебания. Длительное пребывание в местах, где находятся подобные установки и устройства, может оказаться чрезвычайно опасным. Как уже было сказано выше, вредные для человеческого организма колебания электромагнитного поля называются экологами электросмогом.

Впрочем, в последние 25 лет ученые столкнулись с удивительной болезнью – аллергией на электрические и магнитные поля. Аллергия такого рода является редким заболеванием, однако причиняет больным, страдающим ей, массу проблем. Такой человек реагирует на любой электросмог, в т. ч. минимальный, существующий в наших квартирах. У больных меняется состав крови, появляются головные боли, тошнота и кровотечения из носа, а также другие болезненные симптомы. По-видимому, перед нами плата за достижения научно-технического прогресса.

Немало слухов ходит и вокруг другого популярного и необходимого средства связи – телефона. Познакомимся с ним поближе. Изобретателем телефона является уроженец шотландского города Эдинбурга А. Г. Белл. Отец будущего техника был специалистом по фонетике и преподавал технику ораторского искусства, именно от него сын перенял интерес к языку. Впоследствии в Бостоне (США) изобретатель преподавал в школе для глухих и попутно активно изучал механику речи в надежде создать прибор, возвращающий людям слух.

Тогда-то Белл совершенно случайно разработал принципы телефонной связи. В ту пору многие работали над созданием телефонного аппарата, включая великого Т. А. Эдисона, которому иногда ошибочно приписывают первенство в создании этого устройства. Белл опередил всех. Успех пришел к нему 10 марта 1876 г. Изобретатель находился в номере бостонской гостиницы и пытался связаться со своим помощником Т. Уотсоном, который среди шумов неожиданно услышал историческую фразу: «Мистер Уотсон, приходите, пожалуйста; я хочу вас видеть!». Это была первая фраза, переданная по телефонному проводу. Любопытно, что после утверждения патента на изобретение телефона газеты во всем мире разразились страшной критикой. «Речь нельзя передавать по проволоке, поскольку это противоречит законам природы», – утверждали газетчики.

Одна из бостонских газет даже решила привлечь полицию, чтобы наказать мошенника, «который вытягивает у доверчивых людей деньги, показывая им аппарат, могущий якобы передавать на расстояние человеческий голос посредством металлической проволоки». Несмотря на эту критику, изобретатель еще при жизни достиг вершины славы. Он проявил настойчивость и продавал телефоны всем желающим. Если продавать не получалось, то он давал телефоны напрокат и сам же потом звонил своим клиентам, чем приводил людей в неописуемый восторг.

Как ни странно, Белл не любил свое детище. Он считал телефон кошмарным изобретением, которое своими назойливыми звонками прерывает ход мыслей. Белл уверял, что единственным стоящим техническим изобретением нужно считать радио. Оно исправно обеспечивает связь и легко отключается в любой момент!

Давно известно, что телефоны являются настоящим стихийным бедствием для женщин, которые зачастую проводят с трубкой в руке целые часы. Однако последние исследования показали, что изобретение Белла таит опасность и для представителей сильного пола. Американские медики наблюдали группу физически и психически здоровых мужчин, которых в ходе эксперимента лишили мобильных телефонов. Без них мужчины впали в состояние подавленности, депрессии и даже сильного стресса. Некоторые из испытуемых постоянно ощущали неуверенность в себе.

Однако именно от мобильных телефонов медики рекомендуют отказаться. Дело в том, что люди прижимают трубку вплотную к уху, в результате чего вмонтированный в нее передатчик воздействует на головной мозг своими сильными электромагнитными полями. А это грозит возникновением опухоли мозга и прочих неприятностей со здоровьем. Гораздо безопаснее телефоны в салоне автомобиля, передатчик которых достаточно удален от пользующегося таким телефоном человека. Чтобы обезопасить себя от вредного действия сотового телефона, необходимо держать трубку в 3–5 см от уха. На этом расстоянии генерируемые передатчиком поля ослабевают и не могут причинить вред человеку.

Если спросить у ряда людей, кто придумал слово «телефон», то почти все ответят, что это сделал сам изобретатель устройства или, по крайней мере, другие инженеры, продвигавшие технику телефонной связи после Белла. На самом деле А. Белл использовал для описания разработанной им технологии уже готовое слово «телефония», которое появилось как минимум за 20 лет до изобретения телефона и было составлено из корней греческих слов tele – «далеко» и phone – «звук». Первоначально так назывались в совокупности все средства передачи сообщений с помощью звуковых сигналов. Начиная с 1860-х гг. под телефонией понимается исключительно передача кодирующих сигналов посредством стрельбы из пушек и ружей. Лишь в конце 1880-х гг. телефонию связали с электрическими способами передачи звуковой информации.

8. Строение вещества

Великий греческий мудрец Сократ (V–IV вв. до н. э.), подчеркивая ограниченность человеческих знаний, некогда сокрушенно восклицал: «Я знаю, что я ничего не знаю». Спустя почти 200 лет после того, как была произнесена эта ставшая крылатой фраза, на нее откликнулся эпикуреец Метродор: «Л я даже этого не знаю!». Сходным образом можно охарактеризовать ситуацию, сложившуюся в той области физики, которая занимается изучением элементарного строения материи. Мы все еще очень мало знаем о мире частиц, слагающих вещество. Однако то немногое, что нам удалось установить, убеждает – иногда полезно забывать о невежестве и вести поиск наперекор обстоятельствам.

Электрон неисчерпаем

История открытия атома хорошо известна. Примерно 3200 лет назад финикийский мудрец Мох Сидонский предположил существование мельчайших частиц, слагающих материю. В V в. до н. э. это учение возрождают греческие натурфилософы Левкипп и Демокрит, присвоившие атому его современное название, означающее «неделимый». Их точка зрения возобладала в науке. Это история изучения элементарных частиц известна многим. Однако есть и другая история, тесно связанная с открытием электрона.

Благодаря этому открытию физики пришли к выводу о делимости атома, неисчерпаемости материи, обнаружили много новых элементарных частиц, а главное – сумели описать строение атомов и, исходя из этих представлений, объяснить их свойства. Таким образом, подлинное открытие мира мельчайших частиц состоялось лишь тогда, когда было установлено существование электрона и определено его положение в атоме.